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LED技術發展趨勢 資訊類別： 產品/技術/應用趨勢 領　　域： 關鍵零組件 作　　者： 陳澤澎 日　　期： 2007/10/31 一 磊晶片和基板 1. 基板 在基板材料方面，雖然有多種材料可供選擇，如藍寶石(Sapphire)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)及矽(Si)等，但目前仍以藍寶石及碳化矽為主，且大多以2英吋基板為主。但有趨勢逐漸朝大尺寸發展，如美國Cree公司的發光二極體生產線，已大部份轉換採用3英吋的碳化矽基板。碳化矽基板具有許多優點：如晶格常數差異較小，是一導電体，導熱係數大，但缺點是價格昂貴。目前全世界有美國的Cree、 Caracal、 及Intrinsic Semiconductor (於2006年6月被Cree收購)、德國的SiCrystal、以及日本的Hoya等公司，可提供2英吋至4英吋的基板。在藍寶石基板方面，目前也是以2英吋之基板為主，但也開始有公司採用3英吋及4英吋之基板。在藍寶石基板的供應方面目前有美國的Rubicon、Honeywell、Crystal Systems、Saint-Gobain、蘇聯的Monocrystal、ATLAS Sapphire、日本的京都陶瓷(Kyocera)、 Namiki、Mahk、臺灣的合晶(Wafer Works Corp.)、以及兆晶(Tera XTAL)等公司。 但2006年開始也有二家公司，即中國江西的晶能光電及日本的Shimei Semiconductor公司採用矽基板來生長氮化鎵發光二極體，以矽材料來作為基板有許多優點，矽基板的優點包含具有良好的導電及導熱特性、尺寸大、成本低、易加工等，但由於氮化鎵外延材料與矽基板之間，存在著巨大的晶格常數 (lattice constant)失配和熱膨脹係數(thermo-expansion coefficient)差異，雖然在之前美、德、日等國都先後在矽基板上研製出氮化鎵發光二極體，但輸出功率較低。然而在2006年於矽基板上的氮化鎵外延材料生長有很大的進展。在矽基板上生長氮化鎵發光二極體的研究，最早以德國Madberg大學的Krost教授及日本的Egawa教授成果最好，但江西南昌大學的江風益教授成功的在矽基板上研製出氮化鎵藍色發光二極体，且工作電壓小於3.5V，而光輸出功率大於5mW，這一成果於2005年4月廈門半導體照明國際論壇中揭露，被同行專家評價為當時最好的結果。而2006年11月，日本的Shimei Semiconductor 也宣佈將從2007年4月起開始量產以矽為基板的氮化鎵發光二極體，月產能為3百萬顆晶粒，使得矽基板可能成為繼藍寶石及碳化矽基板之外的另一種選擇。 氮化鎵基板是製造氮化鎵發光二極體的最理想材料，由於二者是相同的材料，沒有晶格常數失配或熱膨脹係數失配的問題，其由於具有較低的差排密度及高的熱傳導率，因此以氮化鎵為基板生長的氮化鎵藍色發光二極體，晶體的品質非常優異、發光效率高、飽和電流高、光衰小、作壽命長，且由於導熱特性佳，特別適合用於製造高功率發光二極體。目前氮化鎵基板都是以氫化物氣相外延法，(Hydride Vapor Phase Epitaxy，簡稱HVPE)來生長幾百微米的厚膜於其他基板，如砷化鎵(GaAs)或藍寶石基板上，再以雷射剝離、研磨，或蝕刻等方式將基板移除，最後再將基板研磨及拋光至適當的厚度來形成。在氮化鎵基板的供應方面，目前有日本的住友電氣(Sumitomo Electric)、日立電線(Hitachi Cable)、美國的Cree、 Kyma、波蘭的TopGaN以及法國的Lumilog等公司可提供，但生產規模都很小，且價格非常高，目前祇用於雷射二極體的生產，其價格需要降低至與藍寶石基板差距不能太大，才有機會用於發光二極体之生產製造。臺灣的工業技術研究院電光所也有計劃在從事以氫化物氣相外延法生長氮化鎵基板之研究，目前已具有生長2英吋氮化鎵基板之能力。 氧化鋅基板具有許多優點，其晶體結構與氮化鎵相同，晶格常數的差異非常小，且氧化鋅材料的品質優異，其差排密度(dislocation density)小於105cm-2，祗有品質最好的氮化鎵才能達到此一數值。氧化鋅晶体可以以水熱法(hydrothermal method)大量生產且成本低，目前已有公司可以提供2英吋的基板。但以氧化鋅作為氮化鎵外延層生長的基板的缺點，是在MOCVD生長氮化鎵外延層的生長溫度和氣氛中，容易發生分解和被腐融，因此目前的研究大部份是以分子束外延法(Molecular beam epitaxy， 簡稱MBE)來生長氮化鎵外延層於氧化鋅基板上。氧化鋅材料除了可以當作基板外，也可以成長氧化鋅的三元或四元合金外延層於氧化鋅基板上來製作具有雙異質結構(dou